Application des plastiques techniques à la réduction du poids des équipements électroniques

2022-11-15

1. Introduction


  Radar les produits électroniques se développent rapidement. En plus de leurs fonctions toujours plus nombreuses et de leurs performances de plus en plus avancées, leur poids mort devient de plus en plus léger et réduit. A ce stade, les équipements militaires utilisent majoritairement des matériaux composites. Les propriétés mécaniques des matériaux composites sont excellentes. La réduction globale du poids peut être obtenue grâce à une conception d'optimisation structurelle ou à l'utilisation de matériaux métalliques à faible densité (tels que des matériaux en alliage d'aluminium et en alliage de magnésium). Cependant, pour certains petits équipements électroniques, la marge d’optimisation structurelle est limitée. Compte tenu du matériau lui-même, le remplacement des plastiques techniques par de bonnes performances et une faible densité peut également permettre d'alléger les produits.


  La densité de la plupart des plastiques techniques est inférieure à 2 g/cm3. Par rapport aux produits en aluminium largement utilisés aujourd'hui, la qualité des produits peut être réduite de 50 % en utilisant des produits en plastique technique pour traiter des modèles ayant la même structure. De plus en plus de types de plastiques techniques ont été découverts, et certains plastiques techniques ont d'excellentes performances. Par conséquent, la recherche sur l’application et l’expansion des plastiques techniques s’est progressivement développée. Cet article explore l'application des plastiques techniques dans les produits radar et utilise la faible densité des plastiques techniques pour obtenir des produits légers.


2. Analyse des applications des équipements électroniques plastiques techniques


  La conception structurelle des équipements électroniques améliore principalement la capacité de l'ensemble du produit à s'adapter à divers environnements de travail sous les quatre aspects suivants. Il est nécessaire d'analyser la faisabilité du remplacement de certains matériaux métalliques par des plastiques techniques en fonction de la structure et de la fonction des équipements électroniques.


  a) Le boîtier électronique est principalement utilisé pour installer divers composants électriques et fournir une résistance et une rigidité mécaniques fiables pour assurer le fonctionnement normal de l'ensemble du produit. Les propriétés mécaniques des plastiques techniques sont différentes en raison de leurs différentes méthodes de formage et compositions, mais ils ont généralement une résistance élevée. Les matériaux peuvent être sélectionnés en fonction des exigences d'utilisation spécifiques. Et l'alliage d'aluminium (2.7 × 103 kg/m3), l'alliage de magnésium (1.8 × 103 kg/m3), la plupart des plastiques techniques (1.2 × 103 kg/m3) ont une rigidité spécifique plus élevée. Par conséquent, le remplacement des matériaux métalliques par des plastiques techniques constitue un moyen important de réduire le poids des structures.


  b) Les éléments structurels peuvent améliorer la capacité de dissipation thermique des équipements électriques, contrôler l'augmentation de la température des composants dans la plage autorisée ou garantir que les composants de l'équipement peuvent résister au choc thermique dû à des changements brusques de température. La conductivité thermique, la résistance à la chaleur et la dilatation thermique des plastiques techniques sont très différentes de celles des matériaux métalliques. La température de fonctionnement des équipements électroniques généraux est de − 20 °C 〜+85 °C. Les plastiques techniques les plus courants peuvent être utilisés, par exemple, la température de déformation thermique du polycarbonate est de +127 °C.


  Pour les équipements électroniques, la conductivité thermique est essentielle. La conductivité thermique de la plupart des plastiques techniques est faible, généralement de 0.14 〜 0.34 W/(m · K). À l'heure actuelle, diverses recherches sur la conductivité thermique des plastiques techniques visent à former des matériaux composites à haute conductivité thermique en dopant un milieu à haute conductivité thermique. Bien que la conductivité thermique du composite ait été améliorée des centaines de fois, jusqu'à 20 〜 35 W/(m · K), il existe encore un écart important par rapport aux matériaux métalliques traditionnels de dissipation thermique (120 〜 250 W/(m · K). K)). Par conséquent, pour les équipements électroniques radar intégrés à haute densité, les plastiques techniques ne doivent pas être utilisés comme composants de conduction thermique et de transfert de chaleur.


  c) Le boîtier électronique améliore la capacité de l'ensemble de l'équipement à résister aux environnements difficiles grâce à une conception structurelle et est applicable à diverses conditions environnementales extrêmes. La plupart des plastiques techniques ont une bonne résistance à la corrosion aux acides, aux alcalis, au sel et à d'autres milieux, et leurs performances électrochimiques sont supérieures à celles des matériaux métalliques.


  d) Des mesures de conception structurelle doivent être prises pour les équipements électroniques afin de minimiser les interférences électromagnétiques de l'environnement externe sur l'équipement interne et de réduire les fuites électromagnétiques de l'équipement interne vers l'environnement externe. En raison des exigences de blindage électromagnétique, la coque du châssis est généralement constituée de matériaux métalliques pour assurer la continuité de la coque et fournir un environnement de blindage électromagnétique interne. La plupart des plastiques techniques sont des matériaux polymères et leur mauvaise conductivité est la principale raison qui restreint leur utilisation dans les équipements électroniques. La pulvérisation de peinture conductrice sur la surface extérieure des plastiques techniques pour donner à sa surface une certaine conductivité peut jouer le rôle de blindage métallique.


  L'analyse montre que les plastiques techniques peuvent remplacer certains matériaux des pièces structurelles porteuses des équipements électroniques et obtenir un effet de blindage électromagnétique en appliquant un revêtement conducteur sur sa paroi intérieure, réduisant ainsi le poids de l'équipement.


3. Sélection des plastiques techniques


a) Technologie de traitement


  Les caractéristiques matérielles des différents plastiques techniques sont différentes et les technologies de traitement correspondantes sont également différentes. Il est nécessaire de sélectionner des méthodes de traitement et de fabrication appropriées en fonction des matériaux cibles, afin de faire jouer pleinement les propriétés des matériaux. La technologie de traitement courante est présentée dans le tableau 1.


  Il ressort du tableau 1 que dans les processus de moulage ci-dessus, la plupart des processus nécessitent des moules et des outils de traitement complexes. Par conséquent, les petits lots de produits présentant des structures complexes au stade de la conception et du développement du radar ne constituent pas des méthodes de traitement idéales.


  L'usinage CN appartient à l'usinage traditionnel, qui peut être utilisé pour réaliser des pièces simples. Pour les structures complexes, la technologie d’impression 3D peut être utilisée pour réaliser la production d’un seul ou petit lot de pièces structurelles grâce à la combinaison du traitement par commande numérique et de l’impression 3D.


  Tableau 1 Processus de traitement courants

Processus de formation

moule

la parfaite pression

la réactivité

Moulage par compression

Oui

Mise sous pression dans le moule

Chauffage dans le moule

moulage par injection

Oui

Mise sous pression dans le moule

Chauffage dans l'appareil

coulage

Oui

/

/

Trempage, revêtement et formage

Oui

/

Chauffage dans le moule

La technologie d'impression 3D

Non

Pressurisation des buses

Chauffage des buses

Usinage CNC

Non

Pression de l'outil

/


  b) Propriétés des matériaux

La méthode de traitement de l'impression 3D nécessite la sélection des matériaux d'impression correspondants. Lors de la sélection de matériaux pour les produits électroniques, des matériaux ayant des propriétés mécaniques de résistance moyenne et élevée et une résistance à haute température supérieure à 80 ℃ doivent être sélectionnés. Les matériaux sélectionnés sont le polycarbonate (PC), le nylon (Feuille PA), copolymère d'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et de polyéther éther cétone (PEEK). Voir le tableau 2 pour les paramètres de performances spécifiques.


Tableau 2 Paramètres de performance des matériaux

Performance

PC

ABS

PEEK

PA

Résistance à la traction maximale/MPa

57.0

32.0

93.5

48.0

Allongement en traction à la rupture/%

4.80

7.00

7.45

18.00

Résistance à la flexion maximale/MPa

69

60

145

50

Température de déformation thermique/°C

138

96

147

100

Coefficient de dilatation thermique( × 10−5)/◦C−1

3.800

8.820

5.314

3.600

Densité/(g · cm − 3)

1.20

1.04

1.28

1.00

Feuille de nylon 6


  Pour l’impression 3D, les coûts des différents matériaux sont différents. Le PEEK offrant les meilleures performances a le prix le plus élevé, tandis que le PC, l'ABS et le PA ont des prix modérés. Du point de vue de la performance et de l'économie des matériaux, les matériaux PC et PA peuvent non seulement garantir la résistance, mais également maintenir la stabilité à haute température. Ce sont des matériaux qui répondent aux besoins d’utilisation de base de l’industrie des radars et qui sont bon marché. Ils conviennent aux petits lots et à divers types de traitement de pièces de rechange.


4. Conception de réduction de poids d'un boîtier de moulage industriel

  

  En tant qu'équipement portable, le matériau de conception original d'un boîtier de moulage industriel est l'alliage d'aluminium 6063. L'ensemble de la machine est lourd, ce qui n'est pas propice au fonctionnement et à l'utilisation du personnel. Par conséquent, une conception réduisant le poids est nécessaire.


a) Structure du châssis


  Le châssis adopte une conception à conduction de refroidissement fermée 3U, composée principalement de plaques de refroidissement supérieures et inférieures, de panneaux avant et arrière, de cadres de séparation, de plaques latérales et de plaques de montage de ventilateur. La chaleur est transmise de la plaque de guidage de refroidissement aux plaques de refroidissement supérieure et inférieure, puis la chaleur est évacuée par le refroidissement par air secondaire à travers les dents de refroidissement des plaques de refroidissement supérieure et inférieure du châssis. Une structure fermée est formée à l'intérieur du boîtier pour garantir l'adaptabilité environnementale et les performances de blindage électromagnétique de l'ensemble de la machine.


b) Conception de réduction de poids


  Pour dissiper la chaleur, les plaques de refroidissement supérieure et inférieure du châssis doivent toujours être constituées de matériaux métalliques présentant une bonne conductivité thermique. Par rapport à l'alliage d'aluminium de la série 6063 du châssis d'origine, la plaque froide est en alliage de magnésium à haute conductivité thermique. Les pièces restantes (telles que le panneau avant, le panneau latéral et d'autres structures sans transfert de chaleur) sont principalement utilisées pour former l'enceinte du châssis, et certaines pièces électriques peuvent être installées en même temps. Des plastiques techniques de plus faible densité peuvent être utilisés. Cette fois, des matériaux PC et PA sont utilisés pour les remplacer.


  À l’exception de la structure conductrice de chaleur, les autres éléments structurels du châssis sont constitués de plastiques techniques. Afin de garantir les performances de blindage électromagnétique du châssis, une peinture conductrice doit être appliquée sur la surface interne des éléments structurels. La pâte d'argent ou la peinture conductrice de nickel est sélectionnée comme matériau de pulvérisation pour la surface intérieure des éléments structurels.

Les matériaux PC ou PA ont d'excellentes performances de traitement. Après l'impression, diverses interfaces d'installation de pièces (telles que des trous filetés, des trous d'insertion de fil d'acier, etc.) peuvent être post-traitées pour garantir la précision d'assemblage du châssis. Le produit imprimé est illustré à la figure 3.


feuille de pa


  Enfin, le test de traitement des threads est effectué. Pour les pièces structurelles imprimées en 3D, en raison de la restriction du mécanisme de traitement, il y a de nombreux espaces à l'intérieur et le manchon fileté en fil d'acier post-traité tombera et se fissurera après l'installation, comme le montre la figure 4. Afin de résoudre ce problème. , la méthode d'usinage CN des profils est utilisée pour réaliser des pièces avec filetage. Pour cet équipement, les plaques des deux côtés sont remplacées par des profilés PA pour traitement direct et des inserts en fil d'acier sont installés. Grâce à une vérification physique, le manchon fileté est installé fermement sans tomber.


c) Analyse mécanique


  Les pièces remplacées sont le panneau avant, la plaque de recouvrement arrière, la plaque latérale, la plaque de montage du ventilateur et le cadre divisé. Le contrôle d'impact est principalement effectué pour les caractéristiques de mauvaise ductilité des matériaux. La condition de calcul est que l'accélération gravitationnelle dans la direction X et la direction Y est respectivement de 9 g, et l'accélération gravitationnelle dans la direction Z est de 14 g et le temps est de 11 ms.


  D'après les résultats de la simulation mécanique, on peut voir que la contrainte maximale est de 8.42 MPa après que le châssis est chargé d'une charge d'impact dans trois directions, et que la résistance du matériau est 1.5 fois supérieure au facteur de sécurité, ce qui est inférieur à la résistance du matériau en nylon. 32 MPa, répondant aux exigences d'utilisation.


d) Analyse thermique


  Le châssis contient principalement cinq cartes, avec une consommation électrique totale de 60.2 W. L'indice de conception thermique est la température ambiante maximale de 55 °C, la température de la coque des appareils électroniques est inférieure à 85 °C et la température des parois latérales du Le châssis est inférieur à 75 °C. La température maximale de la paroi latérale du châssis est de 71.4 °C et la température maximale des composants de la carte est de 82 °C, ce qui apparaît sur la carte de stockage et répond aux exigences de conception.


e) Résumé


  Le principal matériau de dissipation thermique du châssis est un alliage de magnésium à haute conductivité thermique au lieu du matériau en alliage d'aluminium d'origine. Le reste des pièces structurelles est remplacé par du plastique technique. Feuille en nylon 6t, et la masse de chaque pièce est calculée, comme indiqué dans le tableau 4. En partant du principe que tous les indicateurs sont satisfaits, le poids total de la structure du châssis est réduit de 45.3 %, ce qui montre que l'effet de réduction de poids des plastiques techniques et du magnésium léger l'alliage est très évident. L'ensemble du châssis pèse environ 2 kg, répondant aux besoins de levage du personnel et préservant l'indice de qualité de la plate-forme porteuse.


Matières

Masse totale/g

Coût/yuan

alliage d'aluminium

3691

20000

alliage de magnésium

2461

25100

PA

1931

14000


  Du point de vue mécanique et thermodynamique, la simulation et l'expérimentation du cas qui remplace le matériau PC et le matériau PA ont été réalisées. La peinture conductrice adopte une pâte d'argent, qui garantit non seulement les performances de blindage électromagnétique du châssis, mais améliore également les trois performances d'épreuve de la structure.


  Pour les produits en plastique, il est également nécessaire de tester leurs caractéristiques de vieillissement à la lumière par des expériences de vieillissement à la lumière afin de vérifier la durée de vie de leurs matériaux sous différents spectres.


5. Conclusion


  Les plastiques techniques sont largement utilisés dans les domaines civils tels que les appareils électroniques, les automobiles et les bâtiments en raison de leurs excellentes propriétés globales. Avec la miniaturisation continue des équipements électroniques, les plastiques techniques ont de larges perspectives dans le domaine des équipements électroniques militaires. Pour les équipements électroniques de type boîtier, les plastiques techniques peuvent être utilisés à des endroits appropriés pour remplacer les matériaux métalliques, de manière à améliorer l'efficacité énergétique de l'ensemble du système et à optimiser et simplifier le processus de fabrication et d'assemblage de pièces importantes.


  Dans l'application des plastiques techniques, il est nécessaire de bien comprendre les propriétés physiques, chimiques, mécaniques et autres des matériaux, et de les combiner avec des méthodes de revêtement et de fabrication plus matures pour réaliser une conception d'optimisation efficace de la réduction de poids. Pour les produits en pièce unique et en petits lots, les coûts d’impression 3D sont faibles. Cependant, en raison du principe de formage, il est difficile d'obtenir des pièces structurelles avec des matériaux denses similaires au métal, qui ont des pores internes et dont la résistance structurelle locale est insuffisante ; Pour de grandes quantités de produits, le moulage par injection peut garantir la formation de pièces structurelles étanches de qualité. Par conséquent, lors de l’application de plastiques techniques, il est nécessaire de combiner les facteurs de coût et de performance et de considérer de manière globale les méthodes de traitement.


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